Верификация моделей шахтных стволов на основе экспериментальных измерений для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления

Шахтные стволы являются ключевыми участками вентиляционной сети рудника, поскольку наибольшая часть депрессии, развиваемой главной вентиляторной установкой (ГВУ), расходуется при движении воздуха по стволам. Таким образом, важной задачей является определение аэродинамических сопротивлений стволов при проектировании вентиляции подземного рудника. Актуальность данной задаче придает тот факт, что стволы служат весь срок отработки запасов в условиях границ шахтного поля, в некоторых случаях срок эксплуатации стволов увеличивается для разработки соседних участков. Существующие справочные источники и научные публикации свидетельствуют о том, что стволы являются объектами с индивидуальным набором параметров: крепления, армирования, лестничного и трубного отделений. При этом коэффициенты аэродинамического сопротивления в справочниках определены для стволов диаметром 5–7 м. В последнее время для отработки новых месторождений полезных ископаемых проектируют вскрытие стволами диаметром 8–10 м в свету. В связи с отсутствием справочных коэффициентов аэродинамического сопротивления для данных стволов предлагается применение подхода определения аэродинамических сопротивлений проектируемых стволов методами CFD-моделирования, включающими в себя сопоставление результатов численных расчетов и экспериментальных измерений. В рамках настоящего исследования на примере двух эксплуатируемых шахтных стволов показаны возможности прогноза аэродинамических сопротивлений в рамках методологии CFD-моделирования в программном комплексе «Ansys» с учетом детальной прорисовки тюбинговой крепи и схемы армирования. По результатам численного моделирования получено, что отклонения численно рассчитанных коэффициентов аэродинамического сопротивления от экспериментально измеренных величин не превышают 8%, что укладывается в пределы погрешности измерительного оборудования. Таким образом, результаты исследования позволяют сделать вывод о достоверности методологического подхода разработки стационарных трехмерных математических моделей для определения коэффициента аэродинамического сопротивления проектируемых шахтных стволов.

Мальцев С. В., Левин Л. Ю., Семин М. А., Бублик С. А. Верификация моделей шахтных стволов на основе экспериментальных измерений для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 10. – С. 71–83. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_10_0_71.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (рег. номер тематики: 126012716039-2).

Мальцев Станислав Владимирович¹ — канд. техн. наук, заведующий сектором; доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: st.v.maltsev@ya.ru, ORCID ID: 0009-0002-9887-1455,
Левин Лев Юрьевич¹ — член-корреспондент РАН, д-р техн. наук, заведующий отделом, e-mail: aerolog_lev@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-0767-9207,
Семин Михаил Александрович¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: seminma@inbox.ru, ORCID ID: 0000-0001-5200-7931,
Бублик Сергей Анатольевич¹ — младший научный сотрудник, e-mail: serega-bublik@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-2084-0002,
¹ Горный институт Уральского отделения РАН.

Мальцев С.В., e-mail: st.v.maltsev@ya.ru.

1. Круглов Ю. В. Моделирование систем оптимального управления воздухораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников: автореф. дисс. … канд. техн. наук. — Пермь, 2006. — 20 с.

2. Мальцев С. В., Семин М. А., Кормщиков Д. С. Метод определения коэффициентов аэродинамического сопротивления шахтных стволов медно-никелевых рудников // ФТПРПИ. — 2020. — № 6. — С. 170—178.

3. Адриан М. В., Зайцев А. В., Паршаков О. С. Исследование влияния сжимаемости воздуха на депрессию глубоких шахтных стволов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2025. — № 2. — С. 116—124.

4. Шалимов А. В., Кормщиков Д. С., Попов М. Д. Определение показателя конвективной устойчивости воздуха в стволах при нулевом режиме вентиляции рудника // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2025. — Т. 336. — № 4. — С. 89—97.

5. Левин Л. Ю., Мальцев С. В., Семин М. А., Колесов Е. В. Расчет аэродинамического сопротивления проектируемых шахтных стволов с использованием методов вычислительной гидродинамики // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 5. — 

С. 100—117. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_5_0_100.

6. Kempson W. J., Webber—Youngman R. C. W., Meyer J. P. Optimizing shaft pressure losses through computational fluid dynamics modelling // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2013, vol. 113, no. 12, pp. 931—939. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.04.058.

7. He D., Wang X., Guo C., Li H., Zhang Y. Study on the influence of the cage lifting piston effect in main intake shafts on air flow in transportation lanes // Applied Sciences. 2023, vol. 13, article 1419. DOI: 10/3390/app13031419.

8. Мельник В. В., Федорова М. А., Мурин К. М., Буханик А. И., Малова С. А. Подземная геотехнология // Процессы подземных горных работ в магистральных транспортных выработках, стволах и на поверхности шахты. — М., Тула: Изд-во ТулГУ, 2022. — 68 с.

9. Olkhovskiy D. V., Parshakov O. S., Bublik S. A. Study of gas hazard pattern in underground workings after blasting // Mining Science and Technology (Russia). 2023, vol. 8, no. 1, pp. 47—58. DOI: 10.17073/2500-0632-2022-08-86.

10. Баловцев С. В., Скопинцева О. В., Куликова Е. Ю. Анализ аварийности и тенденции развития аэрологической безопасности угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 12. — С. 135—149. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_12_0_135. 

11. Liu M., Zhu C., Zhang H., Zheng W., You S., Campana P. E., Yan J. The environment and energy consumption of a subway tunnel by the influence of piston wind // Applied Energy. 2019, vol. 246, pp. 11—23.

12. Кобылкин С. С., Ушаков В. К., Кузнецов И. И. Анализ местных сопротивлений горных выработок на общешахтное аэродинамическое сопротивление // Горная промышленность. — 2024. — № 2. — С. 93—96. DOI: 10.30686/1609- 9192-2024-2-93-96.

13. He D., Wang X., Guo C., Li H., Liu J. The analysis of the factors influencing the operation of the piston wind in the cage of the hybrid hoisting shaft and the simulation study of the operation effect // Tunnelling and Underground Space Technology. 2024, vol. 149, article 105799.

14. Li Z., Li R., Xu Y., Xu Y. Study on the optimization and oxygen-enrichment effect of ventilation scheme in a blind heading of plateau mine // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022, vol. 19, no. 14, article 8717.

15. Казаков Б. П., Шалимов А. В., Стукалов В. А. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений выработок // Горный журнал. — 2009. — № 12. — С. 56—58.

16. Кобылкин С. С., Кузнецов И. И., Федоров Д. А., Кобылкин А. С. Оценка влияния местных и лобовых аэродинамических сопротивлений на воздухораспределение в вентиляционной сети / Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр: V конференция Международной научной школы академика РАН К.Н. Трубецкого. — М.: ИПКОН РАН, 2022. — С. 266—268.

17. Кузнецов И. И. Оценка влияния местных сопротивлений на общешахтное аэродинамическое сопротивление при реверсе // Безопасность жизнедеятельности. — 2024. — № 5. — С. 49—56.

18. Zhang H., Falk L., Allen C. An application of computational fluid dynamics to predict shock loss factors at raise junctions in underground mine ventilation systems // Mining, Metallurgy & Exploration. 2024, vol. 41, no. 3, pp. 1155—1170.

19. Huang H., Sun T., Zhang G., Li D., Wei H. Evaluation of a developed SST k-ω turbulence model for the prediction of turbulent slot jet impingement heat transfer // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019, vol. 139, pp. 700—712.

20. Duan Y., Zheng Q., Jiang B. Use of computational fluid dynamics to implement an aerodynamic inverse design method based on exact Riemann solution and moving wall boundary // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2020, vol. 14, no. 1, pp. 284—298.